CN102217072A - 具有在分别的接合衬底上形成的沟道、电极及半导体的电子器件 - Google Patents

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王宗斌
P·阿拉伽潘
S·G·玛瑟卡
I·P·M·维贾亚
I·罗德里格斯
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Abstract

一种电子器件具有两个接合构件。第一构件包括：界定用于接收流体的流体沟道的衬底，以及在衬底上形成并被流体沟道分隔开的第一和第二电极。第二构件包括衬底和在衬底上形成的半导体。该半导体具有可调制电性质。接合构件，其中半导体跨过流体沟道桥接电极并靠近流体沟道，从而允许半导体电性质由在流体沟道中接收的流体来调制。电极和半导体可实质上包含碳纳米管。衬底可包括可层叠材料。各衬底可实质上包含聚合材料。

Description

具有在分别的接合衬底上形成的沟道、电极及半导体的电子器件
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年9月19日提交的美国临时申请S/N 61/136,626的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明一般地涉及电子器件，且更具体地涉及具有沟道、电极和半导体的电子器件，形成工艺，以及操作该器件的方法。电子器件包括场效应晶体管、传感器、存储器装置、诸如电池的电荷存储装置等。
发明背景
诸如场效应晶体管(FET)和生物传感器的电子器件通常通过在衬底上生长或沉积各种材料和结构在一系列制造阶段中形成。器件中的各种组件可通过掩模或蚀刻定形或图案化。举例而言，基于印刷电子器件的场效应晶体管(FET)、电路、生物传感器以及相关器件通常通过顺序地形成衬底、栅电极、电介质、源/漏电极、半导体以及封装来制造。
举例而言，图1示出在自然纳米技术(Nature nanotechnology)2007年卷2，185-190页的Zhou等人的“支承脂质双分子层/碳纳米管混合体(Supported lipid bilayer/carbon nanotube hydrids)”(在此称作“Zhou”)中公开的，以及在纳米快报(Nano Letters)2002年卷2，869-872页的Rosenblatt等人的“高性能电解质栅控碳纳米管晶体管(High performance electrolyte gated carbon nanotube transistors)”中公开的单壁碳纳米管FET(SWCNT-FET)的示意图。由Zhou和Rosenblatt教示的技术中，简并地掺杂的硅(Si)晶片被热生长的二氧化硅(SiO2)覆层所覆盖。在覆层上形成包含Fe(NO3)3·9H2O、MoO2(acac)2、以及氧化铝纳米颗粒的催化剂岛(未示出)。使用光刻和蚀刻在催化剂岛上形成并图案化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层(未示出)，作为剥离掩模。之后，在覆层上的催化剂岛之间通过化学气相沉积生长CNT。接下来在催化剂岛上使用光刻和剥离工艺图案化金(Au)源和漏电极，其中催化剂和PMMA层被剥离。所得FET结构在氩环境中在600℃下进行45分钟的退火以改善CNT和电极之间的接触电阻。然后，FET结构放置在聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流体沟道内部。该沟道含有具有液体电解质的流体。为了从电解质隔离电极，除了包含纳米管的源和漏电极之间的区域之外，该器件被氧化铝层覆盖。该工艺包括许多不同材料和处理步骤顺序。类似地构造的CNT晶体管在纳米快报(Nano Letters)的2008年卷8，591-595页的Heller等人的“用碳纳米管晶体管识别生物感测机制(Identifying the mechanism of biosensing with carbon nanotube transistors)”中公开。
发明内容
认识到需要改善的电子器件，改善的用于形成电子器件的工艺、以及改善的操作该器件的方法。
还认识到提供具有增强的电荷载流子迁移率和降低的操作电压(例如，＜约2V)的诸如FET的电子器件是有利的。
相应地，在本发明的方面中，提供电子器件。该器件包括第一构件和第二构件。该第一构件包括包含第一可层叠材料并定义用于接收流体的流体沟道的第一衬底，以及在第一衬底上形成并被流体沟道分隔开的第一和第二电极，第一和第二电极均包括诸如纳米结构的导电结构。第二构件包括包含第二可层叠材料的第二衬底，以及在第二衬底上形成并包括具有可调制电性质的诸如纳米结构的结构的半导体。第二构件接合到第一构件，半导体跨过流体沟道桥接第一和第二电极，且半导体结构靠近流体沟道允许在流体沟道中接收的流体靠近半导体结构以用于调制第一和第二电极之间的通过半导体的电阻。半导体可实质上包含一个或多个单壁碳纳米管，或者包含有机材料、无机材料或金属材料在内的任何导电材料。半导体可包括石墨烯(graphene)、Si、Ge、ZnO、CuO、TiO2、SnO2、含碳材料、有机半导体或无机半导体。第一和第二电极均可实质上包含一个或多个碳纳米管。半导体、第一和第二电极的至少一个可包括线、管、薄片、膜、颗粒或允许其功能的任何其它形式。第一和第二衬底均包括聚合材料，诸如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、或聚环氧化物；或者有机衬底、玻璃或陶瓷衬底、金属衬底、或箔。第一和第二衬底均可实质上包含PDMS。第三电极可形成在第一衬底上以用于向在流体沟道中所接收的电解质施加调制电压。电解质可置于流体沟道中。电解质可包括液体、凝胶体、或固体。第二构件可包括邻近半导体的固体电解质以及用于向固体电解质施加调制电压的栅电极。第一和第二衬底均可包括金属涂层、或陶瓷或玻璃纳米颗粒。金属涂层或陶瓷或玻璃纳米颗粒可提供阻碍水分进入该器件的屏障。因此，器件可被密封以提供防潮特性以及提高器件可靠性。
根据本发明的另一方面，用于形成电子器件的工艺中，提供第一和第二构件。该第一构件包括第一衬底以及在第一衬底上形成的第一和第二电极，第一衬底定义用于接收流体的流体沟道，第一和第二电极被流体沟道分隔开。第二构件包括第二衬底和在第二衬底上形成的半导体，该半导体具有可调制的电性质。第一构件接合到第二构件，半导体跨过流体沟道桥接第一和第二电极，并且半导体靠近流体沟道，因此允许半导体的电性质由流体沟道中的流体的存在而被调制。半导体可包括纳米结构或微米结构。半导体可包括Si、Ge、ZnO、Cu、TiO2、SnO2、石墨烯、含碳材料。半导体、第一和第二电极的至少一个可包括管、线、薄片、或颗粒或允许其功能的任何其它形式。半导体、第一和第二电极均可实质上包含一个或多个碳纳米管。第一和第二衬底的至少一个可包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、或聚环氧化物。第一和第二构件可通过加热来层叠。第一构件可包括形成在第一衬底上的用于向在流体沟道中所接收的流体施加电压的第三电极。第二构件可包括邻近半导体的固体电解质以及用于向固体电解质施加调制电压的栅电极。诸如液体电解质的电解质可置于流体沟道中。第一和第二衬底均可包括金属涂层或陶瓷或玻璃纳米颗粒。金属涂层或陶瓷或玻璃纳米颗粒可提供阻碍水分进入该器件的屏障。
根据本发明的另一方面，提供操作本文所公开的或通过本文所公开的工艺制造的电子器件的方法。该方法包括向在电子器件的流体沟道中所接收的液体电解质施加具有峰值电压的脉冲化电压信号，其中向液体电解质连续施加峰值电压可造成在液体电解质中发生电解反应，脉冲化电压信号具有选择成防止液体电解质中的电解反应的脉冲轮廓；以及响应于脉冲化电压信号的施加检测来自电子器件的第一和第二电极的至少一个的电信号。
通过结合附图来审阅本发明具体实施例的以下描述，本发明的其它方面、特征将对本领域普通技术人员变得显而易见。
附图简述
附图仅以示例方式说明本发明实施例。
图1是液体电解质栅控场效应晶体管的示意性截面图；
图2是本发明示例性实施例的电子器件的俯视图；
图3是沿着线A-A所取的图2器件的截面图；
图4是沿着线B-B所取的图2器件的截面图；
图5是根据本发明示例性实施例的用于形成图2器件的工艺的示意性图；
图6是根据本发明示例性实施例的用于操作图2器件的示意性电路图；
图7是根据本发明示例性实施例的另一电子器件的俯视图；
图8是根据本发明示例性实施例的又一电子器件的截面图；
图9是根据本发明示例性实施例的用于形成图8器件的工艺的示意性图；
图10是根据本发明示例性实施例的用于形成层叠电子器件的工艺的示意性图；
图11是使用期间图10所示器件的立体图；
图12是示例性液体电解质栅控电子器件的所测量电流-电压特性的曲线图；
图13是图12的液体电解质栅控电子器件的所测量电流-时间特性的曲线图；
图14是脉冲化电压信号的示例性脉冲轮廓的曲线图；
图15是示例性液体电解质栅控电子器件响应于向该器件的液体电解质栅极施加脉冲化电压信号的所测量电流-电压特性的数据图；
图16是图15的液体电解质栅控电子器件响应于向液体电解质栅极施加连续电压信号的所测量电流-电压特性的数据图；
图17是示例性液体电解质栅控电子器件的所测量电流-电压特性的数据图；
图18是示例性液体电解质栅控电子器件在存在分析物的情况下的所测量电流-电压特性的数据图；
图19是图18器件的所测量电流-时间特性的数据图；以及
图20是图18器件的不同分析物浓度下的所测量电特性的数据图。
具体实施方式
本发明示例性实施例涉及如图2、3及4示意性地所示的电子器件100。
器件100包括相互接合的两个构件。底部构件包括底部衬底102，顶部构件包括顶部衬底104。衬底102和104均由实质上包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)的材料形成，且可具有从约100nm至约5mm的厚度。在不同实施例中，衬底102、104可具有不同大小、厚度和形状。
衬底102定义用于接收流体的流体沟道106，该流体沟道具有第一端108和第二端110。流体沟道106通常可具有U形截面剖面，其长度为从约100nm至约10cm、宽度为约100nm至约1mm、以及深度为约50nm至约30μm。在不同实施例中，流体沟道106的尺寸和形状可不同于以上的尺寸和形状。
在衬底102上形成并支承源电极112和漏电极114。电极112和114被流体沟道106分隔开。电极112和114均实质上包括碳纳米管(CNT)，如单壁CNT(SWCNT)。多壁CNT也可用于形成电极112或114。各电极112、114可具有约15nm至约1mm的厚度，但在不同实施例中，厚度可不同于该范围。
在衬底104上形成并支承实质上包括SWCNT薄膜的半导体116。半导体116中的SWCNT膜具有可调制的电性质，诸如可调制的导电性。衬底102和104被配置并接合成以使半导体116跨过流体沟道106桥接电极112和114，从而形成电极112和114之间的导电沟道。半导体116靠近并暴露于流体沟道106，以允许在流体沟道106中接收的流体接触半导体116中的SWCNT以用于调制电极112和114之间的通过半导体116的电阻。举例而言，可通过其静电环境中的改变来调制SWCNT薄膜的电阻(或传导率)。在一个实施例中，半导体116中的SWCNT薄膜具有可由靠近SWCNT的诸如某些生物分子的调制物质的存在而被调制的电性质(诸如电导率或传导率)。当靠近半导体116放置电解质并向电解质施加调制电压时，半导体116的电阻(或传导率)也可被调制，如下文中将进一步描述。为了有效的电阻(或传导率)调制，半导体116可具有在约1nm至约1mm范围中的厚度。
可根据作为本发明实施例的示例的图5所示的工序来形成器件100。
如图5所示，最初获得具有期望的大小和形状的两个PDMS平板。适当的PDMS材料可从市场上购买，或者可根据已知技术制备。
模制衬底102的PDMS平板以形成流体沟道106，如在图5的左顶部处示出。还可用其它技术形成流体沟道106，如通过物理切割、机械加工、压纹、压印、或化学蚀刻来形成。
SWCNT可从市场上购买，或者可根据已知技术制备。
可选地，原始SWCNT可经历酸处理以形成羧化纳米管，例如，根据科学(Science)的1998年卷280，1253页的Liu等人的“富勒烯管(Fullerene pipes)”中所公开的技术。羧基团的存在可促进如生物分子的调制物质和纳米管之间的相互作用，从而改善调制效果。羧基团可在不同条件下形成各种衍生物以提供合乎要求的官能团，诸如芳烃、烷基卤化物、酒精、醚、胺、醛、酯、硫醇等。这些官能团的一个或多个的存在可向纳米管取决于应用而提供期望的功能。但是，在一些实施例中，羧基团的存在不是必要的。
SWCNT或羧化SWCNT分散在水溶液中并使用诸如氧化铝过滤器的适合的过滤器进行过滤，从而形成过滤器上的SWCNT膜。可从WhatmanTM获得具有0.1μm的颗粒保持尺寸的适合的氧化铝过滤器。该过滤器的孔径大小可小于0.1μm，且可使用其它类型的过滤器。举例而言，适合的过滤器可由聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯等形成。
通过调节SWCNT溶液中的SWCNT浓度及穿过过滤器以形成膜的SWCNT溶液体积来控制各纳米管膜的厚度。可通过稀释来减小SWCNT浓度。
然后，SWCNT膜转印(transfer-print)在分别的PDMS衬底上。可使用本领域技术人员已知的适合的冲压技术来进行转印。
在不同实施例中，SWCNT可在不同沉积工艺中沉积在衬底102和104上。举例而言，可使用适合的室温沉积工艺，其可包括溅射、液滴浇铸、旋涂、过滤、真空过滤、物理沉积(蒸发)、印刷、喷墨印刷、静电复印等。
跨过流体沟道106在底部PDMS衬底102上印刷厚(例如，约15至约50nm厚)SWCNT膜，如在图5的左中部示出。方便地，可用一个冲压来印刷电极112和114两者，因为SWCNT膜可在流体沟道106的边缘处断开，从而在电极112和114之间形成间隙。还有可能以不同方式形成电极，诸如通过分开地印刷它们。
在顶部PDMS衬底104上印刷薄(例如，小于10nm厚)SWCNT膜来形成半导体116，如图5的右边部所示。半导体116也可以是转印的。
方便地，可通过单个转印或冲压工序在衬底102或104上沉积各SWCNT膜。进行附加的SWCNT膜的转印是不必要的。因此，可避免与附加转移相关联的成品率损失和膜退化。举例而言，如果要用的衬底是基于硅的衬底，且SWCNT进一步从PDMS平板转印至基于硅的衬底，可导致严重的成品率损失和膜退化。
用于电极112、114的CNT膜可具有相对低的薄层电阻，诸如低于约1kΩ/sq，以提供较好的电接触。用于半导体116的CNT膜可具有相对高的薄层电阻，诸如高于约300kΩ/sq。可通过调节膜厚来控制CNT膜的薄层电阻。半导体116的膜越薄，可允许在使用期间更有效地调制电阻。
然后两个衬底102和104通过层叠相互接合，使半导体116面向流体沟道106，并放置成跨过流体沟道106桥接电极112和114，如图5的底部所示。
层叠可使用任何适当的技术，诸如加热。可向顶部和底部构件施加压力，以在加热期间将其彼此相对地按压。因为PDMS和CNT表面可在不使用另一外部粘合剂的情况下彼此接合，不必向表面施加粘合剂。方便地，可在顶部和底部构件的表面之间形成密封，从而防止流体或液体通过衬底之间的任何间隙漏出。
取决于所使用的技术，可在室温下方便地使PDMS和CNT材料接合。
在一些实施例中，可使用等离子体接合技术以接合两个构件。等离子体接合可利用从诸如空气、氧气等的气体生成的等离子体。可使用本领域技术人员已知的等离子体接合技术。
用于制备和接合具有流体沟道的PDMS衬底的示例性技术在微机电系统期刊(Journal of Microelectromechanical Systems)的2008年卷9，76-81页的Jo等人的“聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体中的三维微沟道制造(Three-dimensional micro-channel fabrication in polydimethylsiloxane(PDMS)elastomer)”中公开。
方便地，可由流体沟道的宽度定义源/漏电极之间的间隔以及导电沟道长度。
可在衬底102、104上形成半导体116和电极112、114的CNT膜，使得CNT膜的外表面通常与衬底表面齐平，如图3和4所示。但是，这不是必要的。CNT膜可从衬底表面突出，以促进电极112或114和半导体116之间的稳固接触。举例而言，半导体116可从衬底104突出。在一个衬底上设置突出部(例如，半导体116)并在另一衬底上设置对应的凹部(例如，流体沟道106)可促进层叠期间的衬底对准。在任何情况下，两个层叠构件的每一个的层叠侧可配置成允许两个构件之间的可靠接合，并允许方便的对准。
可选地，将诸如液体电解质的电解质118置于如图5所示的流体沟道106中，作为制造工艺的一部分。液体电解质可以是极性液体，且可包括水基极性溶液、乙醇、异丙醇等。在一些应用中，较低离子强度的水溶液可提供较好的性能。可根据如本领域技术人员所知的溶液传导率来确定溶液的离子强度。举例而言，可使用磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液或低离子强度缓冲(LISB)溶液。溶液可包含碱盐，诸如NaCl或KCl，且可具有相对稳定的如约7.5的pH。溶液中的缓冲材料可包括磷酸盐。
流体沟道106的沟道端108和110可在储藏和运输期间密封以防止污染以及电解质118的泄漏。
在如下所述的使用期间，可在流体沟道106中放置液体电解质。在一些实施例中，还可向器件100中纳入诸如固体聚电解质的其它类型的电解质，将在下面进一步讨论。
可选地，可设置栅电极120以用于接触电解质118并向电解质118施加电压，将在下面进一步讨论。
方便地，虽然不是必要的，液体电解质可与源和漏电极接触，没有必要使液体电解质与源和漏电极隔离。
如现在可理解的，器件100可在并行处理工序中形成，且可包含使用有限数量的不同材料。举例而言，器件100的基本单元可实质上仅包括PDMS和CNT。此外，液体电解质可置于流体沟道106中以用于调制半导体电阻，不必在器件100上形成任何固体介电层，从而允许简化的制造工艺。
在示例性实施例中，器件100在使用期间可作为场效应晶体管(FET)操作，如图6示意性地示出。
流体电解质118放置在流体沟道106中，以起到液体栅极(LG)的作用。可使用在本文的别处所论述的任何适合的液体电解质。
通过栅电极120向电解质118施加栅电压(Vg)。可使用诸如函数发生器的信号发生器122施加栅电压。电压信号可以是连续的或是脉冲化的，将在下面进一步描述。可使用诸如示波器的适当的电压计124来监控栅电压。虽然在图6中分离地描绘，但信号发生器和电压监控器可集成。
使用适当的信号发生器在源和漏电极112和114之间建立源-漏电压(Vsd)。使用适当的电流计测量源-漏电流Isd。信号发生器和电流计可集成并在电流计-电压源装置126中提供，如图6所示。因为源-漏电流通常在皮安培至微安培的范围中，在电流计-电压源装置126中可使用皮可安培计。
信号发生器122、栅电压监控器124和装置126可与计算机128通信。计算机128包括处理器(未单独示出)以及处理器可读存储介质(未单独示出)。存储介质可存储处理器可执行程序代码，当处理器执行该代码时，其适配计算机以控制连接至计算机128的一个或多个装置的操作，以及分析并存储从连接至计算机128的各种装置所接收的数据信号。
如本领域技术人员可理解，当如图6所示地操作时，器件100可有效地起到FET的功能。具体而言，归因于所施加的源-漏电压和半导体116的导电性，电流Isd可从源电极112通过半导体116有效地流向漏电极114(反之亦然)。流体沟道106中的电解质118可起到电介质的作用，因为在电解质中建立电势梯度时，可在电解质中有效地形成双层电容器，因为带反向电荷的载流子在电解质中将朝相反方向移动并在相反边界处积聚。但是，将不会有大电流流过电解质118，且不必将电解质118与电极112、114以及半导体116隔离。如器件100用作FET、电阻器或二极管的一些应用中，可在半导体116和电解质118之间放置诸如介电层的绝缘层。
在任何情况下，电解质118置成靠近半导体116，在半导体116和电解质118之间的界面区域附近形成带电荷层可调制半导体116的导电率。因此，固定偏置电压Vsd下的源-漏电流Isd由栅电压Vg来调制，且作为栅电压Vg的函数。换言之，诸如对给定的所施加源-漏电压的电流响应的FET电特性通过电解质118由栅电压来调制。因此，器件100可作为FET器件。
方便地，当液体电解质用作栅极电介质时，与在栅电极和晶体管沟道之间具有固体电介质的传统FET相比，器件100可用降低的所施加栅电压适当地工作。取决于所使用的特定液体电解质，所施加栅电压下的电解质的有效电容与在传统FET中使用的常规介电层中的电容相比可高1000倍以上。举例而言，液体电解质中的有效电容可大于1000μF/cm2。与之相比，通常在传统FET中使用的固体聚合物或氧化物电介质的电容为约1μF/cm2。因此，器件100可用低于约1V的偏置电压来操作。与之相比，对于具有SiO2栅极电介质的基于CNT的晶体管而言，工作栅电压通常从2V到40V。在器件100中使用液体电解质还可允许生成更强的如源-漏电流的电信号。
器件100还可用作传感器，如生物传感器，用于检测如生物分子或其它具有与纳米一样小的大小的分析物的各种分析物。
在示例性工序中，为了检测样本溶液中的分析物，向流体沟道106提供样本溶液，如提供通过流体沟道106的样本溶液流。方便地，该样本溶液可与流体电解质混合并馈送到可作为流体入口的沟道端108或110。替代地，可单独地向流体沟道106馈送样本溶液。如通过收回穿过可作为流体出口的流体沟道106的另一端110或108的样本溶液可维持连续的样本溶液流。为了维持样本溶液流，可设置适当的流体回路和泵。泵可包括注射器泵、电子动力泵、压电泵等。
在任何情况下，在样本溶液中存在分析物时，其将在流体沟道106内部分散，并靠近半导体116。可通过监控器件100的电特性的改变来检测分析物的存在，如半导体116的导电率的改变，反映在器件100的电流-电压特性或电流-时间特性的改变中。
如所知，许多分析物靠近SWCNT而存在时，可影响并调制SWCNT的传导率。已为该现象提出各种潜在的机制。举例而言，一些分析物存在时，可扰乱SWCNT周围的静电环境。在不受限于任何特定理论的情况下，已提到该紊乱可影响邻近CNT的传导率。由于流体沟道中的生物分子之间的相互作用，可发生静电栅控(gating)。举例而言，这种相互作用可包括免疫复合物生成、DNA杂交等。在文献中报告的用于调制半导体传导率的其它可能的机制包括肖特基势垒调制、电容效应以及迁移率改变。取决于要利用的特定机制，该器件可修改成更有效地利用调制机制。举例而言，如果要求分析物和半导体的接触用于调制半导体传导率，该器件可配置成促进分析物和半导体之间的接触。在其它情况下，器件可被配置成允许分析物移动以靠近半导体116，如在如上所述的德拜长度内。
可根据器件对于调制物质的存在的电响应来识别不同调制机制。举例而言，静电栅控可造成阈值栅电压偏移。肖特基势垒调制可导致在Vg＜0时Isd减小，Vg＞0时Isd增大。电容效应可导致在负和正Vg下的转移特性梯度的下降。迁移率改变(可能是散射导致的)可造成在正和负Vg区域两者下的Isd降低。
如现在可理解，为了有效地调制半导体116的传导率，应将半导体116的大小和厚度选择成允许通过流体沟道106中的分析物的存在而调制电极112和114之间的导电沟道中的CNT的充足部分，使得通过在流体沟道106中分散分析物能够可检测地调制电解112和114之间的通过半导体116的电阻。如果通过分析物的存在调制更大百分比的半导体116，可实现更有效的调制。在这一点上，如果半导体116太厚，将不能由在流体沟道106中分散的分析物来显著地调制远离流体沟道106的一些CNT。因此，半导体116越薄，可提供越有效的调制。在一些实施例中，半导体116可如单个CNT大小一般地薄。在一些应用中，可使用单个纳米管来形成导电沟道。
半导体116的电导率的改变影响器件100的电特性，诸如电流-电压(Isd-Vg)特性、或电流-时间(Isd-t)特性。因此，在一些应用中，半导体116或器件110的所测量电特性的改变，诸如电流-电压或电流-时间特性，可与在样本溶液中的分析物的存在或数量相关。
可在分析物不存在和存在的两种情况下，测量器件100的电流-电压特性。可施加连续(直流)Vg信号，且在-0.8和0.8V之间变化(扫描)。替代地，可施加脉冲化的Vg信号，其振幅在-2和2V之间变化(扫描)。源-漏偏置Vsd可以是恒定直流电压或具有低频率(＜5mHz)的交流电压，且可在10-50mV的范围中。可用如上所述的类似设置来监控电流-时间特性，但是栅电压Vsd的振幅固定在恒压下。针对进一步讨论参见示例。
此外，通过监控器件100的随时间的不同电特性的改变，可能可以研究在溶液中发生的反应和相互作用。举例而言，可基于使用器件100检测的反应物和产物来识别所发生的反应类型。还有可能通过监控器件100的电特性改变来推出潜在的调制机制。举例而言，在负Vg偏置下Isd减小，在正Vg偏置下Isd增大，可指示肖特基势垒调制，因为其由该趋势来特征化。
液体电解质可在水溶液中与样本溶液一起传送到流体沟道106。因为许多分析物的自然环境是水，将液体电解质用作栅极材料允许分析物或生物分子反应包含在类似于其自然环境的环境中检测并研究的分析物。也不必对分析物进行标记，如染色。此外，器件100不要求分析物与电解质反应以便检测分析物的存在。这允许更多类型的分析物被检测并允许更直接的检测，其可导致改善的检测灵敏性和精确性。
如上所述，当使用液体电解质时，栅电压可低于约1V。但是，在一些实施例中，更高的栅电压可能是合乎要求的，且可施加更高的栅电压。当向水溶液中的电解质连续地施加足够高的电压时，在水溶液中可能发生电解反应，这可能是不期望的且可影响器件100的适当的功能。因此，可向电解质118施加具有选择成防止电解质溶液中的电解反应的脉冲轮廓的脉冲化电压信号。举例而言，假设向给定电解质溶液连续施加高于阈值电压的电压，将造成在溶液中发生电解反应，且脉冲化电压信号具有高于阈值电压的峰值电压。因此，向电解质溶液连续施加峰值电压可造成在电解质溶液中发生电解反应。在这种情况下，如果脉冲化电压信号具有的脉冲轮廓为电压间歇地从峰值下降到低于阈值电压且然后增大到另一峰值，且高于阈值电压的每个时间间隔期间小于完成电解反应所需的时间，则当向电解质溶液施加脉冲化电压信号时可避免电解反应。举例而言，在一些实施例中，各脉冲可具有基本上小于1ms的脉冲长度，或者脉冲频率可基本上高于1kHz。测试示出在100kHz频率下施加从-1.8到0.2V或从-2到0.5V的电压，足以避免LISB溶液中的电解。
在不受限于任何特定理论的情况下，期望在给定施加电压下电解反应需要有限的时间量以完成。因此，当所施加的高于阈值电压的电压仅持续比电解反应所需时间短的期间时，则可避免电解。
可由信号发生器122生成脉冲化电压信号。在示例中描述样本脉冲化电压信号轮廓。
当采用脉冲化栅电压信号时，在不造成液体电解质中的电解反应的情况下可增大栅电压范围。这可提供某些益处。举例而言，栅电压更高时，对于传导率调制的电流响应可更显著，例如由于，来自阈值电压改变的贡献之外还有来自饱和电流改变的贡献(I-V偏移)。在低栅电压下，唯一贡献可来自阈值电压的改变。由于可在给定分析物浓度下获得较高检测信号电平，所以可实现更灵敏的检测，且可改善检测极限(LOD)。
可在不同实施例中修改器件100。举例而言，衬底102或104可包括不同于PDMS的材料。其它适合衬底材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、聚环氧化物(环氧)等。在本文中给出的在最后项前具有“或”的项列表，如前述句子，可选择和使用任何所列项或所列项的任何适当的组合。
可用具有可调制导电率的另一纳米结构替代半导体116中的SWCNT膜。举例而言，可使用不同纳米管或纳米线。本文的别处描述了其它适当的纳米结构。
此外，可通过利用各种调制机制来影响半导体116的有效电阻的调制，其可包括传导率调制、电容调制、肖特基势垒调制、电荷载流子迁移率调制或静电栅控。取决于所使用的调制物质和所利用的调制机制，不必为了调制半导体116的诸如视在电阻的电性质而使调制物质与半导体116接触。在这种情况下，半导体116可放置成靠近流体沟道106，以使在流体沟道106中接收的流体可移动到充分靠近半导体116以便允许发生调制。举例而言，在一些应用中，调制物质可以是生物分子，其可在生物分子和CNT之间的距离小于德拜长度时调制CNT的电特性。对于许多生物分子而言，德拜长度通常小于100nm。因此，在一些实施例中，不必将半导体116暴露到流体沟道106，且可在调制物质和半导体116之间设置一层适当的物质(未示出)，在该层存在的情况下，可仍有效地利用调制机制以调制半导体116的电性质。
电解质118可包括水凝胶电解质。举例而言，水凝胶由琼脂糖、乙烯吡咯烷酮、甲基丙烯酸酯、N-乙烯基咪唑形成，或可使用类似物。其它凝胶也可用作电解质。
液体电解质之外，还可使用固体聚电解质。在液体电解质和聚电解质中，电荷迁移率可能相对高，诸如对于液体电解质而言高达0.1cm2/Vs。
在不同实施例中，电极可由导电纳米结构、金属或其它适当的导电材料来形成。
可添加附加电极。举例而言，如图7所示，在可能类似于器件100的经修改的器件200中，在底部衬底202上形成栅电极220。除此之外，器件200可构造成类似于器件100。栅电极220延伸进入到流体沟道206，以使可通过栅电极220向在流体沟道206中接收的电解质施加栅电压。栅电极220可由CNT或如Au、Ag、Ag/AgCl等的另一适当的材料形成。器件200还可进一步被修改。举例而言，器件200中的电极、半导体和衬底可由各种其它适当的材料形成。
如图8所示，还可设置另一背栅以形成双栅器件300。器件300可类似于器件100或200，除了在顶部衬底304中邻近半导体316形成固体电解质322，且在顶部衬底304中形成栅电极324，且栅电极324与固体电解质322接触以用于向电解质322施加栅电压。此外，器件300中的衬底302、304，电极312、314，以及半导体316可由与参照器件100所描述的以上那些材料不同的各种适当的材料来形成。
固体电解质322可以是聚电解质。在高级材料(Advanced Materials)的2007年卷19，97-401页的Herlogsson等人的“经由质子半导体栅控的低电压聚合物FET(Low-Voltage Polymer FET Gated via a Proton Semiconductor)”以及应用物理快报(Applied Physics Letters)的2006年卷89，143507页的Said等人的“经由聚苯乙烯磺酸薄膜栅控的聚合物场效应晶体管(Polymer field-effect transistor gated via a polystyrene sulfonic acid thin film)”中描述了一些示例性的适当的聚电解质。
器件300可由如图9所示的工序形成。具体地，用于顶部衬底304的PDMS平板可具有孔。半导体膜可粘附到固体电解质322，且它们两个可被插入到PDMS平板中的孔中。在层叠之前或之后，可将栅电极324置于固体电解质322的顶部上。器件300的其它组件可如本文的别处所述地制备。
方便地，可按照两个不同模式操作器件300，且取决于哪个电解质栅用于调制半导体传导率呈现两个不同的电流-电压特性。举例而言，可在电极312和314两端建立偏置电压以产生通过半导体316的电流。可通过向液体电解质318或固体电解质322施加电压，或通过向电解质318和322两者施加电压来调制电流。因为可独立地控制两个栅电压，可获得诸如多参数响应的更复杂的测量，如本领域技术人员所知。
举例而言，当向衬底302上的流体沟道引入分析物且分析物靠近半导体316时，可通过向固体电解质322施加栅电压来检测其存在。还可向液体电解质318施加栅电压以检测分析物。因此，通过使用这两个不同电解质栅，可独立地验证同一分析物的检测。可通过同时使用两个电解质栅来进行检测。
可期望，当使用两个不同栅时，器件300的电响应可呈现不同特性。举例而言，固体电解质和液体电解质中的有效电容器厚度可能不同。两个响应特性之间的不同可提供关于流体沟道中存在的分析物的附加信息。因此，在一些应用中可获得更灵敏和精确的检测。
本发明的进一步实施例涉及用于形成电子器件400的工序，电子器件400包括如图10所示的由第一构件402和第二构件404形成的层叠结构。
构件402具有表面406，其定义流体沟道408。表面406上的两个电极410和412由沟道408分隔开。
构件404具有表面414。在表面414上形成半导体416。
通过使构件402和404彼此层叠形成层叠结构，其中构件402的表面406面向构件404的表面414。可由加热或另一适当的技术来实现层叠。例如，可使用等离子体接合技术。还可通过使构件402和404面向彼此地按压来实现层叠。举例而言，由于表面分子之间的疏水相互作用，两个相对聚合物表面406和414可形成密封。可化学地处理或功能化表面406和414以促进层叠。
在层叠结构中，半导体416与电极410和412两者接触，从而桥接(连接)它们。半导体416的一部分面向并靠近流体沟道408。在一些实施例中，可使半导体416暴露于流体沟道408。
构件402、404均可包括由适合于层叠的材料形成的衬底。举例而言，各衬底可由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯或聚环氧化物(环氧)形成。还可使用其它材料。构件402、404的衬底可由相同或不同材料形成。在一些实施例中如果两个衬底均由适合于直接层叠的材料形成，其可能是方便的。在一些实施例中，可向表面406或414施用层叠材料，或者向两者施用层叠材料，以便促进构件402和404之间的层叠。如果在层叠后，表面406和414形成密封以防止流体从沟道408通过表面406和414之间的任何间隙泄漏，其也可以是方便的。沟道408中的表面材料应与其中接收的流体兼容，将在下文变得清楚。衬底可具有任何适当的大小或形状，且可以是多层的。构件402、404的每一个还可具有取决于特定应用的不同的层，如本文的别处所说明。
沟道408可通过在构件402的衬底中模制、切割、或蚀刻一凹槽来形成。沟道408的形状和大小可取决于应用而变化。在一些实施例中，沟道408通常可具有如图10所示的U形截面剖面。在其它实施例中，沟道408可具有另一截面剖面。沟道408不是必需是拉长的。举例而言，在一些实施例中，沟道408可能是一般的井状。沟道408的宽度和深度可在微米或纳米数量级。沟道408的长度可在微米到厘米的数量级。在一些实施例中，沟道408可具有约100nm至约10cm的长度，约100nm至约1mm的宽度、以及约50nm至30μm的深度。在一些实施例中，流体沟道408可能是微沟道，具有约0.5至约1cm的长度、约50至400μm的宽度、以及约1至20μm的深度。但是，沟道408应能够针对特定应用接收充足量的电解质和充足量的分析物。
电极410和412可由任何适当的电极材料形成。举例而言，可使用适合的金属、化合物、或组合物。适当的电极材料可包括，例如，Ag/AgCl、Cr、Au、Pt、纳米管、纳米线等。可通过转印或任何其它适当的技术，将电极410、412沉积在构件402的表面406上。鉴于可能与电极接触的其它材料以及期望的电极性能，可选择在特定应用中的电极材料。
半导体416可包括具有可调制导电性的任何适当的导电材料。举例而言，半导体416可包括半导材料或结构、或具有如可调制导电性的可调制电性质的纳米结构。半导体416可由不同形状的材料形成，不同形状包括膜、诸如纳米管或纳米线的管状材料、诸如纳米颗粒的颗粒或纳米薄片。纳米结构具有影响其功能的纳米级特性特征。纳米级特征典型尺寸在从约1nm到约100nm的范围中。在其它实施例中，半导体416可具有微米结构，其特性特征尺寸在微米范围中。举例而言，纳米结构可包括一个或多个纳米管、纳米线、石墨烯(例如，石墨烯薄片)或纳米颗粒。纳米结构中的单位结构可具有管状或圆柱状形状，或可具有一般地平坦结构(例如薄膜)。半导体416可具有有机或无机材料或金属材料，且可包含由诸如聚合物、低聚物以及小分子的各种大小和重量的分子形成的材料。例如，在半导体416中可使用诸如聚3-己基噻吩(P3HT)、聚3，3″′二烷基季噻吩(PQT)、并五苯等有机半导体。半导体或纳米结构可具有p型或n型电荷载流子。举例而言，纳米管可以是诸如单壁CNT(SWCNT)、或多壁CNT(MWCNT)的CNT。纳米线可由Si、Ge、ZnO、CuO、TiO2、SnO2等形成。适合的纳米结构可包含在调制场下或诸如分析物的调制材料存在的情况下展现不同电特性的任何纳米结构。举例而言，在适当条件下，可通过调制电场或通过各种分析物存在来调制诸如CNT的许多导电结构的传导率。
半导体416可使用任何适当的技术在构件404的表面414上形成。在一个实施例中，CNT可最初形成(生长)在分离的晶片上且然后转印在表面414上。替代地，构件404的衬底材料可以是适合于收集形成在分离晶片上的诸如CNT的纳米结构的多孔/过滤材料。方便地，如通过使用化学气相沉积(CVD)技术，可在适当的过滤材料上直接生长如纳米线的纳米结构。在美国化学会志(Journal of the American Chemical Society)(2006)，卷128，4540-4541页的Kocabas等人的“有空间选择性地引导高覆盖率阵列生长、单壁碳纳米管随机网络以及将其集成到电子器件中(Spatially Selective Guided Growth of High-Coverage Arrays and Random Networks of Single-Walled Carbon Nanotubes and Their Integration into Electronic Devices)”中描述了通过CVD生长CNT的示例性技术。
也可使用以下任何技术进行在衬底上沉积导电材料，如蒸发的物理气相沉积、液滴浇铸、旋涂、过滤、真空过滤、印刷、喷墨印刷、静电复印等。
本领域技术人员已知在不同衬底上形成和转移如CNT、纳米线的纳米结构的技术。也可使用在本文的别处描述的技术。
构件404可以是多层的。例如，纳米结构416可沉积在构件404的子层上，其中子层由用于收集如CNT和纳米线的纳米结构的多孔/过滤材料形成。构件404还可包括用于支承多孔/过滤层的衬底子层。
如本领域技术人员可理解，构件402、404还均可包括外部保护层(未示出)。
可使用任何适当的技术接合构件402和404。举例而言，可使用本领域技术人员已知的层叠技术来接合它们。可由加热或另一技术来实现层叠。举例而言，可施加压力以促进构件402和404之间的接合。可采用等离子体接合技术。PDMS材料之间的接合可如以上参考器件100的所描述地实现。适当的接合技术可包括化学接合、压力接合、静电接合、硬焊/软焊、机械锁闭等。取决于所使用的特定材料可使用类似或不同的技术来实现不同材料之间的接合。例如，在J.Micromech.Microeng.，2009，卷19，15007-15012页的Vlachopoulou等人的“用于接合塑料衬底的低温表面改性辅助方法(A low temperature surface modification assisted method for bonding plastic substrates)”中；以及Lab-on-a-Chip Technology(卷1)中Chia-Wen Tsao和Don L.DeVoe的“用于热塑微流体的接合技术(Bonding Techniques for Thermoplastic Microfluidics)”：Fabrication and Microfluidics，第五章，Keith E.Herold和Avraham Rasooly版，2009，Caister Academic Press中公开用于接合包括聚合物衬底的不同衬底的示例性技术。
如本领域技术人员所理解，与用于形成FET器件的一些常规工序相比，用于形成器件400的工序可相对简单，且可包含较少处理阶段和较少中间材料。举例而言，在一些实施例中，转印纳米结构，或一次以上转印纳米结构不是必要的。方便地，在层叠阶段之前，可并行(并行处理)制备或形成构件402和404，从而节省处理时间并允许生产线或工厂的更灵活的安排或配置以及更高的生产率。电极和半导体由诸如CNT的相同或类似材料形成并通过层叠相互接合到一起时，它们之间可存在相对低的接触电阻。因此，在这种情况下，可不必对器件进行退火以便进一步减少接触电阻。
在使用期间，器件400可用作FET，类似于以上参考器件100、200和300的描述。尤其，沟道408可填充有电解质418，如图11所示。电解质418可以是液体电解质或水凝胶，如本文的别处所讨论。
电解质418在沟道408中邻近半导体416形成介电体积。外部电极420可插入到沟道408中以接触电解质418，从而作为栅电极。电极410和412可分别用作源和漏电极，如图11所示，以类似于器件100的电极112和114的方式。因此，器件400可作为FET器件来工作。尤其，当向源电极410、漏电极412、栅电极420施加适当的偏置电压时，可检测电流信号，例如使用与图6所描绘的电路类似的电路。
如本领域技术人员所理解，在诸如电极410或412的电极处检测的如电流信号的电信号取决于在不同电极处施加的电压。在一些实施例中，所检测的信号还取决于由半导体416形成的晶体管沟道区域附近的调制电场或调制材料的存在或不存在。半导体416所经历的调制场可通过向电解质418通过栅电极420施加电压来产生，且可通过在流体沟道408中存在的其它物质来进一步调制。
可以理解，在器件400可方便地使用液体电解质。例如，可防止通过表面406和414之间的间隙的泄漏，如上所述。
如上所述，当使用液体电解质时，相比于传统FET器件，可用较低偏置电压(如低于约1V)来操作器件400，且当其用作传感器时可提供更灵敏的检测。
器件400还可用作用于感测或检测分析物存在或分析物量的传感器或检测器。在沟道408中存在不同材料时，器件400可展现不同电特性，例如对所施加电压的不同电流响应(I-V响应)。从而，器件400可方便地用于检测在样本溶液中的分析物存在或分析物量。
例如，样本可与电解质418一同置于沟道408中。诸如通过电极向电解质418施加适当的电压信号。在电极410、412、420的一个或多个处测量或检测如电流信号的电响应。所检测电响应然后可与样本中的分析物存在和分析物量相关。
因此，方便地，器件400可用作用于检测不同分析物的传感器或检测器。
与传统FET或传感器器件相比，当用作传感器时，本文所述的器件可提供更灵敏的检测。
在器件100、200、300或400中，顶部和底部构件可包括如防水的保护涂层或材料(未单独示出)。涂层或材料可包括金属、陶瓷或玻璃纳米颗粒。该材料或涂层可覆盖一部分器件或整个器件以防止水分进入。完全密封的器件可防水并具有改进的可靠性。
由以下非限制性示例进一步说明本发明的实施例。
示例：
示例I
如上所述地制备样本器件。顶部和底部衬底两者由PDMS形成。
为了制备由CNT形成的半导体、源和漏电极，从Carbon Solutions公司购买CNT材料(P2-SWNT)，并在氩环境中在900℃下退火2小时，以便在溶液制备前最小化粘附到CNT的羧基数量。在一些情况下，对1％十二烷基硫酸钠(SDS)中的0.1mg/ml CNT悬浮液进行1小时的14000rpm的超声降解和离心分离以从悬浮液去除束(bundle)。在其它情况下，SWCNT水性分散体(0.5mg ml-1)通过在50ml的十二烷基苯磺酸钠(SDDBS)溶液(1重量％)中溶解25mg的SWCNT来制备，其从Sigma-AldrichTM购买。然后对分散体进行约两小时的超声降解以用于均一化。
从CNT溶液使用在Zhou中公开的真空过滤方法来制备CNT膜。简单地说，通过铝过滤器(Whatman公司，0.1μm)过滤期望量的CNT溶液，用去离子化的水广泛地冲洗以移除任何残留SDS表面活性剂，并用PDMS衬底拾取。
类似地制备由无机纳米线(包括ZnO和TiO2纳米线)形成的半导体。尤其，在类似于CNT情况的工序下，但不使用任何表面活性剂的情况下，纳米线分散在溶液中并沉积在PDMS衬底上。
如下地制备由PQT形成的半导体。从American Dye SourceTM(ADS)获取PQT。根据产业标准工序清洗Si/SiO2晶片(n型)。通过以1000rpm，进行140秒的1，2-二氯苯中的0.3重量％的PQT的旋涂以在各晶片上沉积PQT薄膜，随后在140℃下在真空中进行退火，同时制备1，2-二氯苯中的10mg/ml的TEPP-C61溶液以1000rpm进行120秒以沉积膜，随后在120℃下在N2中退火。然后，通过对PQT材料按压PDMS压模并剥离PDMS压模在PDMS压模上拾取PQT膜。不同样本器件的PQT膜厚范围为从10到100nm。
在样本器件中使用的PDMS衬底/模型由从Dow Corning，Inc.TM购买的PDMS材料形成(SLYGARD 184硅树脂弹性体组件)。为了固化PDMS，以树脂比固化剂的重量比为10∶1，混合PDMS树脂和固化剂。在真空中对混合物进行1小时的排气，并倾倒在预图案化的Si母模上，随后在100℃下进行1小时的固化。在使用前将PDMS衬底/模型冷却到室温。
如上所述地在各衬底上转印半导体和电极。
示例II
在示例I中形成的器件操作为液体栅FET(LGFET)。
使用低漏柔性基准电极(3M KCl)(从World Precision InstrumentsTM获得的FLEXREF)以向液体电解质施加栅电压。向基准电极施加来自函数发生器(Thurlby Thandar InstrumentTM，TTi TG1304)的电压信号，其中漏电极接地。跨过源和漏电极建立10mV的偏置电压。监控器件的传导率。在一些测量中，也使用Ag/AgCl基准电极(World Precision InstrumentsTM)。使用数字示波器(AgilentTM DSO3062A)监控所施加的Vg信号。使用电压源/皮可安培计模块(KeithleyTM 6487)以施加源-漏偏置电压(Vsd)并测量源-漏电流(Isd)。由个人计算机通过通用接口总线(GPIB)卡(National Instrument)和用LabVIEW 7.1写的编程代码来同步化使用的所有电仪表。
电解质分散在由0.5mM磷酸盐缓冲剂和1.5mM NaCl(pH～7.5)组成的低离子强度缓冲剂(LISB)中。溶液分散在流体沟道中以用于测量。
在图12中示出电流-电压测量的代表性结果，且在图13中示出电流-时间测量的代表性结果。
如图12所示，取决于样本溶液中存在的电荷类型以及半导体类型，在引入分析物后，I-V曲线发生偏移和改变。
图13示出向流体沟道引入分析物后电流降低。
示例III
研究脉冲化栅电压下的样本器件的性能。
图14示出针对电流-时间测量向样本液体电解质栅控器件中的液体电解质施加的电压信号的示例性脉冲轮廓。对于I-V测量而言，脉冲化信号的频率相同，但是峰值电压的振幅随时间变化。
在图15中示出脉冲化电压信号施加下的代表性所测量I-V数据。作为比较，在图16中示出同一器件的但在连续电压信号下的所测量I-V数据。如所示，使用脉冲化栅电压信号显著改善器件性能。
测试结果还示出，当栅电压增到到高于约1V时，施加连续电压信号导致源-漏电流的显著减小，而电流对脉冲化电压信号保持相对稳定。此外，电流-时间测量示出与连续电压信号相比使用脉冲化电压信号不改变器件的电流-时间特性，其指示施加脉冲化电压信号不改变器件本身的行为。
估计在纯水中完成电解反应所需的时间为约1ms。因此，比约1kHz更高的脉冲频率可防止在纯水中的电解。在不同溶液中，电解反应时间可不同，且阈值频率可相应地变化。
图17示出具有PQT半导体的样本器件的I-V特性，其中从SiO2衬底转印PQT膜。从具有通过在PDMS衬底上直接旋涂来形成的PQT半导体的器件获得类似结果(未示出)。
示例IV
聚-L-赖氨酸(PLL)用作由具有CNT半导体/电极和PDMS衬底的样本液体电解质栅控电子器件检测的分析物。通过控制过滤体积并从而控制纳米管膜的密度来调节用于形成半导体和源/漏电极的CNT膜的电阻。半导体(晶体管沟道)的CNT膜具有大于300kΩ/sq的薄层电阻。电极的CNT膜具有小于1kΩ/sq的薄层电阻。在层叠以确保层叠PDMS表面之间的自密封前，PDMS衬底表面保持洁净。液体沟道是具有400μm宽度的微流体沟道。由微流体沟道宽度来定义晶体管沟道长度(源和漏电极之间的距离)并因此约为400μm。发现晶体管沟道长度为2000μm(因此给出宽/长比为2000/400)时，CNT半导体膜的电阻为20-25kΩ。
最初，通过将LISB汲取到微沟道(流体沟道)，同时记录信号电平来检查系统稳定性。添加新电解质时，仅记录可能与液体电解质中的电双层电容的更新和稳定相关联的小信号扰动。
从Sigma AldrichTM购买PLL(p-4707)。在去离子化的水(MilliQ)中制备一系列经稀释的PLL溶液，以浓度逐渐增大排列：(1)0.2aM、(2)2aM、(3)20aM、(4)200aM、(5)2fM、(6)20fM、(7)200fM、(8)2pM、(9)20pM、(10)200pM、(11)2nM、(12)20nM、(13)200nM。
计算PLL的最佳培育时间并在测试中使用。使用注射器向流体沟道中引入PLL溶液。对于各测量，用LISB冲洗流体沟道若干次后，向电解质储存器中注入具有给定浓度(例如1nM)的PLL。在注入PLL溶液后观察到信号波动及随后的恢复，其指示转移特性反映在流体沟道中部的半导体-电解质界面处的响应。
通过有和没有脉冲化栅偏置电压施加的情况下的Isd-Vg和电流-时间测量来电学地研究流体沟道中的PLL和纳米管之间的相互作用。在Isd-Vg测量情况下，贯穿-0.8到0V的范围扫描(简单直流扫描)或-5到0V的范围(脉冲化栅，100kHz的频率)扫描Vg偏置。通过电流-时间测量研究PLL和纳米管之间的实时相互作用，其中分别针对简单直流偏置和脉冲化栅在-0.5和-2V下Vg偏置保持恒定，且测量随时间的电流Isd。当漏电流小时，在漏电极处测量的电流(Id)(或源电极)用作源-漏电流(Isd)的近似。
一旦将PLL汲取到微沟道中，Isd-Vg曲线偏移到负方向，例如对1nM的PLL偏移约0.1V。
图18、19和20示出所获得的代表性数据。
如图18所示，向缓冲(LISB)溶液注入90nM PLL后，Isd-Vg曲线向左(下)偏移。
图19示出在-100mV的栅电位下取得的Isd的实时测量(对应于图18中示出的虚线)。可观察到由于在流体沟道中发生的改变的在各时刻半导体传导率的改变，如图19所示。还发现将PLL粘附到半导体是不可逆处理。测试还示出其中使用CVD工艺生长CNT半导体的样本器件和对比器件展现暴露于PLL时的I-V特性的类似改变。
图20示出来自不同PLL浓度下的样本器件的代表性所测量电响应。如所示，I-V响应和I-t响应两者可与流体沟道中的PLL量(浓度)相关。因此，样本器件可用于检测样本溶液中的PLL分析物量。
所测量数据指示在本情况下的主要导电调制机制为静电栅控。预期到，高度带正电的PLL(pH～7.5)被吸收到CNT膜中并在CNT表面上感应出负电荷屏蔽，从而I-V曲线朝负栅电压偏移并导致Isd减小。
观察到当分析物(PLL)浓度小于约10pM时，信号改变与分析物浓度成线性比例，但是当分析物浓度增大到高于10pM时，该线性关系消失(称为信号饱和)。该信号饱和可暗示CNT膜表面完全被约10pM浓度下的PLL分子覆盖，且可能的位阻效应可防止PLL浓度进一步增大时的PLL的任何进一步吸收。
测试结果示出样本层叠液体电解质栅控CNTFET是具有本文所述的某些优点的实用电子器件。举例而言，样本器件展现对PLL的存在的高度灵敏响应。样本器件对PLL的检测极限(LOD)发现为约1pM。
可预期可用其它适当的可层叠聚合物替代该衬底，诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、或聚环氧化物，只要衬底材料可与液体电解质和可能的分析物兼容，且不负面地干涉器件的电组件功能即可。适当的衬底材料还可包括有机材料、玻璃、陶瓷材料、金属材料、箔等。
还期待可用其它适当的半导体材料替代半导体材料，该半导体材料具有可由靠近半导体的诸如液体电解质或分析物的调制物质来调制的电性质。可由任何适当的调制机制来调制可调制电性质，调制机制包括传导率调制、电容调制、肖特基势垒调制、电荷迁移率调制、静电栅控等。例如，薄膜、纳米线或颗粒形式的有机或无机半导体可能是半导体的的适当替代材料。
期待电极可由任何适当的导电材料形成，导电材料包括任何适当形式的有机、无机或金属材料。
导电和半导电材料两者可具有纳米大小或微米大小的结构，其形式可以是膜、颗粒、薄片、线、棒、管等。导电或半导电材料可包括含碳材料。
本文所描述的电子器件实施例还可用作各种其它器件或在各种其它器件中使用，诸如存储器件、或电池及其它电荷存储装置。
理所当然地，上述实施例旨在仅作为说明性，而不旨在限制。所描述实施例容许形式、部件安排、细节以及操作顺序的许多修改。本发明更确切地旨在在其范围中包含所有这种修改，且由权利要求来界定。

Claims (25)

1.一种器件，包括：
第一构件，其包括：
第一衬底，其包括第一可层叠材料并定义用于接收流体的流体沟道，以及
第一和第二电极，其形成在所述第一衬底上并被所述流体沟道分隔开，所述第一和第二电极均包括导电结构；以及
第二构件，其包括：
第二衬底，其包括第二可层叠材料，以及
半导体，其形成在所述第二衬底上且包括具有可调制电性质的结构；
其中，所述第二构件接合到所述第一构件，所述半导体跨过所述流体沟道桥接所述第一和第二电极，且所述半导体的所述结构靠近所述流体沟道，以便允许在所述流体沟道中接收的所述流体靠近所述半导体的所述结构以用于调制通过所述半导体的所述第一和第二电极之间的电阻。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述半导体包括Si、Ge、ZnO、CuO、TiO2、SnO2、石墨烯、含碳材料、有机半导体或无机半导体。
3.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述半导体以及所述第一和第二电极的至少一个包括管、线、薄片、膜、或颗粒。
4.如权利要求1至3的任一项所述的器件，其特征在于，所述半导体实质上包含一个或多个单壁碳纳米管。
5.如权利要求1至4的任一项所述的器件，其特征在于，所述第一和第二电极均实质上包含一个或多个碳纳米管。
6.如权利要求1至5的任一项所述的器件，其特征在于，所述第一和第二衬底均包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚环氧化物、有机衬底、玻璃或陶瓷衬底、金属衬底或箔。
7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述第一和第二衬底均实质上包含聚二甲基硅氧烷。
8.如权利要求1至7的任一项所述的器件，其特征在于，包括在所述第一衬底上形成的用于向在所述流体沟道中接收的电解质施加调制电压的第三电极。
9.如权利要求1至8的任一项所述的器件，其特征在于，包括置于所述流体沟道中的电解质，所述电解质包括液体、凝胶体、或固体。
10.如权利要求1至9的任一项所述的器件，其特征在于，所述第二构件包括邻近所述半导体的固体电解质以及用于向所述固体电解质施加调制电压的栅电极。
11.如权利要求1至10的任一项所述的器件，其特征在于，所述第一和第二衬底均包括金属涂层或陶瓷或玻璃纳米颗粒，所述金属涂层或陶瓷或玻璃纳米颗粒提供阻碍水分进入所述器件的屏障。
12.一种用于形成电子器件的工序，包括：
提供第一构件，所述第一构件包括第一衬底以及在所述第一衬底上形成的第一和第二电极，所述第一衬底定义用于接收流体的流体沟道，所述第一和第二电极被所述流体沟道分隔开；
提供第二构件，所述第二构件包括第二衬底和在所述第二衬底上形成的半导体，所述半导体具有可调制电性质；以及
将所述第一构件接合到所述第二构件，其中所述半导体跨过所述流体沟道桥接所述第一和第二电极，所述半导体靠近所述流体沟道，从而允许所述半导体的电性质由所述流体沟道中的所述流体的存在而被调制。
13.如权利要求12所述的工序，其特征在于，所述半导体包括纳米结构或微米结构。
14.如权利要求12或13所述的工序，其特征在于，所述半导体以及所述第一和第二电极的至少一个包括管、线、薄片、膜、或颗粒。
15.如权利要求12至14的任一项所述的工序，其特征在于，所述半导体包括Si、Ge、ZnO、CuO、TiO2、SnO2、石墨烯、含碳材料、有机半导体或无机半导体。
16.如权利要求12至15的任一项所述的工序，其特征在于，所述半导体以及所述第一和第二电极实质上均包含一个或多个碳纳米管。
17.如权利要求12至16的任一项所述的工序，其特征在于，所述第一和第二衬底的至少一个包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚环氧化物、有机衬底、玻璃或陶瓷衬底、金属衬底或箔。
18.如权利要求12至17的任一项所述的工序，其特征在于，所述接合包括层叠所述第一和第二构件。
19.如权利要求12至18的任一项所述的工序，其特征在于，所述第一构件包括形成在所述第一衬底上的用于向在所述流体沟道中接收的所述流体施加电压的第三电极。
20.如权利要求12至19的任一项所述的工序，其特征在于，所述第二构件包括邻近所述半导体的固体电解质以及用于向所述固体电解质施加调制电压的栅电极。
21.如权利要求12至20的任一项所述的工序，其特征在于，包括将电解质置于所述流体沟道中。
22.如权利要求21所述的工序，其特征在于，置于所述流体沟道中的所述电解质是液体电解质。
23.如权利要求12至22的任一项所述的工序，其特征在于，所述第一和第二衬底均包括金属涂层或陶瓷或玻璃纳米颗粒，所述金属涂层或陶瓷或玻璃纳米颗粒提供阻碍水分进入所述器件的屏障。
24.一种操作如权利要求1至11的任一项所述的电子器件的方法，所述方法包括：
向在所述电子器件的流体沟道中所接收的液体电解质施加具有峰值电压的脉冲化电压信号，其中向所述液体电解质连续施加所述峰值电压可造成在所述液体电解质中发生电解反应，所述脉冲化电压信号具有经选择以防止所述液体电解质中的所述电解反应的脉冲轮廓；以及
响应于所述脉冲化电压信号的施加，检测来自所述电子器件的所述第一和第二电极的至少一个的电信号。
25.一种操作根据权利要求12至23的任一项所述的工序形成的电子器件的方法，所述方法包括：
向在所述电子器件的流体沟道中所接收的液体电解质施加具有峰值电压的脉冲化电压信号，其中向所述液体电解质连续施加所述峰值电压可造成在所述液体电解质中发生电解反应，所述脉冲化电压信号具有经选择以防止所述液体电解质中的所述电解反应的脉冲轮廓；以及
响应于所述脉冲化电压信号的施加，检测来自所述电子器件的所述第一和第二电极的至少一个的电信号。
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